电力系统自动化

电力系统无功功率与电压调节的意义与调节方式近年来，随着国民经济的发展，大范围的高压输电网络逐渐形成，负荷的快速增长对无功的需求大幅上升。

无功功率并不是无用功率，而是在电能传输和转换过程中建立电磁场和提供电网稳定不可缺少的功率之一，无功经不同的电磁耦合反映不同的电压等级，同一等级电压的电网中，电压经高低直接反映本级的无功平衡，是电能质量的重要指标之一。

1、电压与无功功率的重要作用电力系统的经济、安全、稳定运行，与控制电压技术及调节无功功率分不开的。

电压是电能质量的重要标志。

供给用户的电压与额定电压值的偏移不超过规定的数值，是电力系统运行调整的基本任务之一。

各种用电设备是按照额定电压来设计制造的，只有在额定电压下运行才能取得最佳的工作效率。

电压质量对电力系统本身有影响。

当电压过高时：会对负荷的运行带来不良影响；影响产品的质量和产量，损坏设备；各种电力设备绝缘会损坏，在超高压输电线路中还将增加电晕损耗；甚至会引起电力系统电压崩溃，造成大面积停电。

电压降低时：会使电网中的有功功率损耗和能量损耗增加，过低还会危及电力系统运行的稳定性。

无论是作为负荷用电设备还是电力系统本身，都要求能在一定的额定电压水平下工作。

从技术和经济上综合考虑，规定各类用户的允许电压偏移是完全必要的。

我国规定在正常运行情况下各类用户允许电压偏移为：35KV及以上电压供电的负荷 ± 5％10KV及以下电压供电的负荷 ± 7％低压照明负荷＋5％－10％农村电网（正常）＋7.5％－10％（事故）＋10％－15％电力系统中无功功率平衡是保证电力系统电压质量的基本前提。

对于运行中的所有设备，要求系统无功功率电源所发出的无功功率(∑QG)与无功功率负荷(∑QD)及无功功率损耗(∑QL)相平衡，即∑QG=∑QD+∑QL而无功功率电源在电力系统中的合理分布是充分利用无功电源、改善电压质量和减少网络有功损耗的重要条件。

无功功率的产生基本上是不消耗能源的，但无功功率沿输电线路上传送却要引起无功功率的损耗和电压的损耗。

无功功率电源的最优控制目的在于控制各无功电源之间的分配，合理的配置无功功率补偿设备和容量以改变电力网络中的无功功率分布，可以减少网络中的有功功率损耗和电压损耗，从而改善负荷用户的电压质量。

2、无功功率的产生和吸收 同步发电机可以产生或吸收无功功率，这取决于其励磁情况。

当过励时产生无功功率，当欠励时吸收无功功率。

架空线路产生或吸收无功功率取决于负荷电流。

当负荷低于自然负荷（波阻抗），线路产生纯无功功率；当高于自然负荷时，线路吸收无功功率。

地下电缆，由于它们对地电容较大，因此具有较高的自然负荷。

它们通常工作在低于自然负荷情形下，因此在所有运行条件下总发生无功功率。

变压器不管其负载如何，总是吸收无功功率。

空载时，起主要作用的是并联激励电抗；满载时，起主要作用的是串联漏抗。

负荷通常吸收无功功率。

由电力系统的供电的典型负荷节点由许多装置所组成。

这种组成随日期、随季节和气候的变化而不同。

通常负荷节点的负荷特性是吸收无功功率的，复合负荷的有功功率和无功功率都是电压幅值的函数。

具有低的滞后功率因数的负荷使传输网络有大的电压降落，因而供电也不经济，对于工业用户，无功功率通常和有功功率一样要计费，这就鼓励企业通过使用并联电容器来提高负荷功率因数。

3.电压和无功功率的控制应满足的目标电力系统有效和可靠的运行，电压和无功功率的控制应满足的目标： 系统中有所有装置的在端电压应在可接受的限制内。

为保证最大限度利用输电系统，应加强系统稳定性。

应使无功功率传输最小，以使得RI2和XI2损耗减小到最小。

　当负荷变化时，输电系统的无功功率的要求也要变化。

由于无功功率不能长距离传输，电压只能通过遍布整个系统的具体装置来进行有效控制。

4、无功功率的补偿　（1）无功功率不足的危害：交流电力系统需要电源供给两部分能量：一部分将用于做功而被消耗掉，这部分称为“有功功率”；另一部分能量是用来建立磁场，用于交换能量使用的，对于外部电路它并没有做功，称为“无功功率”，无功是相对于有功而言，不能说无功是无用之功，没有这部分功率，就不能建立磁场，电动机，变压器等设备就不能运转。

其物理意义是：电路中电感元件与电容元件正常工作所需要的功率交换。

无功功率不足，无功电源和无功负荷将处于低电压的平衡状态，将给电力系统带来出力不足，电力系统损耗增加，设备损坏等一系列的损害，甚至可能引起电压崩溃事故，造成电网大面积停电。

无功功率的传输不但会产生很大的有功损耗，而且沿传输途径还会产生很大的电压降落，并使电网的视在功率增加，这将对系统产生以下负面影响。

1.1电网总电流增加，在传送同样的有功功率情况下，总电流的增加，使设备及线路的损耗增加，并使线路及变压器的电压损耗增加。

1.2电网的无功不足，会导致用户端的电压降低，影响正常生产和生活用电；反之，如果无功过剩，会造成电网的运行过高。

1.3大量的无功存在降低了电网的功率因数，造成大量电能损耗。

1.4对电力系统的发电设备而言，无功电流的增大，对发电机转子的去磁效应增加，电压降低，可能使转子绕组超过允许漫升。

此外，当发电机的视在功率一定时，无功功率的增加，会导致原动机效率的相对降低。

（2）无功补偿原理：在交流电路中，纯电阻元件中负载电流与电压同相位，纯电感负载中电流之后电压九十度，纯电容负载中电流超前电压九十度，也就是说纯电容中电流和纯电感中的电流相位差为180度，可以互相抵消，即当电源向外供电时，感性负荷向外释放的能量由荣幸负荷储存起来；当感性负载需要能量时，再由荣幸负荷向外释放的能量来提供。

能量在两种负荷间相互交换，感性负荷所需要的无功功率就可由容性负荷输出的无功功率中得到补偿，实现了无功功率就地解决，达到补偿的目的。

（3）无功补偿的三种形式： 3.1集中补偿 集中补偿就是把电容器组集中安装在变电所的二次侧的母线上或配电变压器低压母线上，这种补偿方式，安装简便，运行可靠，利用率高，但当电气设备不连续运转或轻负荷时，又无自动控制装置时，会造成过补偿，使运行电压升高，电压质量变坏。

季节性用电较强，空载运行较长又无人值守的配电变压器不宜采用。

3.2分散补偿 分散补偿是将电容器组分组安装在车间配电室或变电所个分路的出线上，形成抵押电网内部的多组分散补偿方式，它能与工厂部分负荷的变动同时投切，适合负荷比较分散的补偿场合，这种补偿方式效果较好，且补偿方式灵活，易于控制。

3.3个别补偿 个别补偿是对单台用电设备所需无功就近补偿的方法，把电容器直接接到单台用电设备的同一电气回路，用同一台开关控制，同时投运或断开，俗称随机补偿。

这种补偿方法的效果最好，它能实现就地平衡无功电流，又能避免无负荷时的过补偿，是农业合作社中异步电动机进行补偿的常用方法。

（4）无功功率补偿的意义无功功率补偿的意义在于提高负载和系统的功率因数，减少设备的功率损耗，降低设备容量，稳定电压，提高供电质量。

在长距离输电中，提高系统输电稳定性和输电能力，平衡三相负载的有功和无功功率等。

5、电力系统的无功功率电源（1）同步发电机同步发电机目前是电力系统唯一的有功功率电源，它又是基本的无功功率电源。

它只有在额定电压、额定电流、额定功率因数下运行时，视在功率才能到达额定值，发电机容量才能得到最充分的利用。

当电力系统中有一定备用有功电源时，可以将离负荷中心近的发电机低于额定功率因数运行，适当降低有功功率输出而多发一些无功功率，这样有利于提高电力系统电压水平。

（2）同步调相机及同步发电机同步调相机是特殊运行状态下的同步发电机，可视为不带有功负荷的同步发电机或是不带机械负荷的同步电动机。

因此充分利用用户所拥有的同步电动机的作用，使其过激运行，对提高电力系统的电压水平也是有利的。

（3）静电电容器静电电容器从电力系统吸收容性的无功功率，也就是说可以向电力系统提供感性的无功功率，因此可视为无功功率电源。

静态无功补偿装置的容量可大可小，既可集中使用，又可分散使用，并且可以分相补偿，随时投入、切除部分静态无功补偿装置，运行灵活。

静态无功补偿装置的有功损耗小（约占额定容量的0.3％～0.5％），投资也节省。

（4）静止无功功率补偿器静止无功功率补偿器是一种发展很快的无功功率补偿装置。

它可以根据负荷的变化，自动调整所吸收的电流，使端电压维持不变，并能快速、平滑的调节无功功率的大小和方向，以满足动态无功功率补偿要求，尤其对冲击性适应性较好。

与同步调相机相比较，运行维护简单，功率损耗较小，能够做到分相补偿以适应不平衡的负荷变化。

其缺点是最大无功补偿量正比于端电压的平方，在电压很低时，无功补偿量将大大降低。

（5）高压输电线路的充电功率高压输电线路，特别是分裂导线，其充电功率相当可观，是电力系统所固有的无功功率电源。

（6）　并联电抗器并联电抗器的工作性质与并联电容器的工作性质相反, 从补偿感性无功的角度来说是负补偿, 因而常用于补偿线路电容的作用。

特别是当超高压 (EHV)输电架空线路长于 200 km 时, 线路充电电容不可忽视, 通常需要安装并联电抗器。

当轻负荷时, 在220 kV 及以上的线路中, 线路充电功率过大, 有可能会引起电压过高, 危及高压电网的运行, 此时为了保证电压正常, 附加并联电抗器。

当然, 在重负荷时, 有可能一部分并联电抗器需从系统中切除, 在地区级电网无功电压控制中, 电抗器个数比较少, 在一些对其拥有控制权的220 kV 变电站中可能装有电抗器, 此时也可以作为控制手段之一。

6、电力系统电压控制的方式在电力系统无功功率平衡中，为了保证系统有较高的电压水平，必须要有充足的无功功率电源。

但是要使所有用户处的电压质量都符合要求，还必须采用各种调压控制手段。

（1）发电机控制调压控制发电机的励磁电流，可以改变发电机的端电压。

发电机允许在端电压偏移额定值不超过±5%的范围内运行。

对于由发电机直接供电的小系统，供电线路不长，输电线路上的电压损耗不大时，可以采用发电机直接控制电压方式，以满足负荷电压要求。

它不需要增加额外的设备，因此是最经济合理的控制电压措施，应优先考虑。

但是输电线路较长、多电压等级的网络并且有地方负荷的情况下，仅仅依靠发电机控制调压已不能满足负荷电压质量的要求，且在大型电力系统中仅仅作为一种辅助性的控制措施。

（2）控制变压器变比调压一般电力变压器都有可以控制调整的分接抽头，调整分接抽头的位置可以控制变压器的变比。

在高压电网中，各个节点的电压与无功功率的分布有着密切的关系，通过控制变压器变化来改变负荷节点电压，实质上是改变了无功功率的分布。

变压器本身并不是无功功率电源，因此，从整个电力系统来看，控制变压器变比调压是以全电力系统无功功率电源充足为基本条件的，当电力系统无功功率电源不足时，仅仅依靠改变变压器变比是不能到达控制电压效果的。